煤层气是重要的非常规天然气资源,其中三分之二甲烷浓度低于30%的低浓度煤层气由于热值太低无法直接利用而排空,既浪费了资源又污染环境。开发利用煤层气资源的关键是高效的气体分离浓缩技术。吸收-水合分离技术是一种安全性高、污染低的新技术,可以用于煤层气中甲烷的浓缩。目前吸收-水合分离煤层气的研究尚处于初级探索阶段,还存在一系列问题有待解决。本文利用四氢吡喃(THP)作为吸收-水合添加剂,研究了四氢吡喃对煤层气水合物生成的影响规律以及分离性能,最后设计并模拟了利用四氢吡喃浓缩煤层气的工艺及能耗。本文首先采用定容压力搜索法测量了CH₄、N₂和20 mol%CH₄/N₂混合气在纯水和THP溶液中水合物相平衡条件。结果表明THP对CH₄、N₂和CH₄/N₂混合气形成水合物具有明显的热力学促进作用。随着THP浓度从1.67 mol%增加到5.6 mol%时,CH₄、N₂和CH₄/N₂混合气的水合物相平衡条件向低温高压的区域移动;THP扩大了CH₄/N₂混合气进行水合分离的操作区间,更有利于分离。其次,研究了THP存在下吸收-水合法分离20 mol%CH₄/N₂混合气的性能,考察了温度、进料压力、初始气液比和THP浓度对分离的影响。研究表明温度降低、压力增加和初始气液比降低有利于提高水合物生成速率和CH₄回收率,但液相CH₄浓度有所降低。在5.6 mol%THP溶液中280.15 K、2.5 MPa时,CH₄回收率和分离因子都取得最大值,分别为72.7%和6.7;在1.67 mol%THP溶液中280.15 K、2 MPa、气液比78时,液相CH₄浓度取得最大值50.3 mol%。为了进一步提高分离效率,研究了油包水乳液分离20 mol%CH₄/N₂混合气,考察了不同油相组分、水油比和进气方式对分离效果的影响。结果表明正癸烷包水乳液体系的分离效果优于THP包水乳液体系和THP溶液体系;乳液水油比增加,CH₄回收率降低,液相CH₄浓度增加;阶段进气法可以将液相CH₄浓度从46.7 mol%提高到51 mol%。最后利用HYSYS V10建立了吸收-水合法分离低浓度煤层气的工艺流程,通过模拟计算了THP溶液和正癸烷乳液中四种工艺的能耗,结果表明产品气CH₄浓度高的工艺的总能耗较低,而正癸烷乳液体系可以获得更多的二级煤层气产品量。本文的研究为吸收-水合法分离低浓度煤层气技术工业化提供了参考数据。